Vantagens da Utilização de Borracha Reagida e Ativada na Reabilitação de Pavimentos

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DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Duarte José Gonçalves Manica

MESTRADO EM ENGENHARIA CIVIL

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Faculdade de Ciências Exatas e da Engenharia

Vantagens da Utilização de Borracha Reagida e

Ativada na Reabilitação de Pavimentos

Dissertação submetida para a obtenção do grau de Mestre em

Engenharia Civil na Universidade da Madeira

por

DUARTE JOSÉ GONÇALVES MANICA

Licenciado em Engenharia Civil (Pós-Bolonha)

Orientador

Prof. Doutor Eng.º Jorge Barreira de Sousa

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III

Palavras-Chave: Pavimentos rodoviários flexíveis; Reabilitação; Betume-borracha; Borracha reagida e ativada (RAR), Mistura betuminosa com borracha.

Keywords: Road Pavements; Rehabilitation; Bitumen-Crumb Rubber; Reacted and Activated Rubber (RAR), Hot Mix Asphalt, Asphalt Rubber Mixes.

Autor: DUARTE MANICA

FCEE - Faculdade de Ciências Exatas e da Engenharia

Campus Universitário de Penteada

9020-015 Funchal - Portugal. s/n

Telefone +351 291 705 230

Correio eletrónico: secretariadocentros@uma.pt

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IV

os quais não se teria tornado uma realidade e aos quais estarei eternamente grato. Por isso a minha profunda gratidão:

Ao meu orientador, Professor Doutor Eng.º Jorge Barreira de Sousa, pelo total apoio, disponibilidade, pelo saber que transmitiu, pelas opiniões e criticas, total colaboração no solucionar de dúvidas e problemas que foram surgindo ao longo da realização deste trabalho e por todas as palavras de incentivo.

Ao Engenheiro Jorge Pereira, pela clareza, rigor, paciência, disponibilidade demonstrada e conselhos durante a realização desta dissertação: o meu muito obrigado.

À Engenheira Rossana Sousa e ao Engenheiro Henrique Miranda, pela orientação, ajuda e permanente disponibilidade, que me permitiram encontrar informações e soluções que em muito contribuíram para a execução desta tese. Aos técnicos da CONSULPAV, com quem trabalhei diretamente, presto tributo por tudo o que me ensinaram e ajudaram durante a realização dos ensaios.

À RAM /DRE, por facultar o projeto do trecho piloto, pela autorização para executar os ensaios de caracterização da atual situação, pelos recenseamentos de tráfego, mas sobretudo, pela abertura patenteada a reequacionarem a construção/manutenção pavimentos betuminosos. À VIALITORAL, pela disponibilização de registos essenciais para a realização de parte desta dissertação, pelos esclarecimentos e pelos seus funcionários sempre prestáveis.

À AFAVIAS, pela assistência técnica prestada, caracterizada por: acesso às centrais, recolha de documentação, recolha de materiais, amostras e informações recolhidas em obras. Ao LNEC, pela rapidez e disponibilidade na realização de um ensaio fulcral à conclusão desta dissertação.

Aos meus amigos e colegas que estiveram ao meu lado durante esta fase, pelo companheirismo, força e apoio em certos momentos difíceis.

As minhas irmãs, pela amizade, carinho, força e preocupação demonstrada nos momentos de maior aflição.

Aos meus pais, por serem modelos de coragem, pelo seu apoio incondicional, incentivo, amizade e paciência demonstrados e total ajuda na superação dos obstáculos que ao longo desta caminhada foram surgindo.

Tendo consciência que sozinho nada disto teria sido possível, dirijo um agradecimento especial à Licínia, minha namorada, pelo apoio e carinho diários, pelas palavras de incentivo e confiança, em todos os momentos.

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V

permitam manter uma qualidade adequada às funções que desempenham e os pavimentos rodoviários não são, nesse campo, exceção, sendo alvo de frequentes reparações destinadas a lhes devolver níveis de funcionalidade, segurança e conforto adequados.

Em Portugal, a maioria dos pavimentos rodoviários são do tipo flexível, razão pela qual esta dissertação abordará apenas esse tipo de pavimentos. As técnicas de conservação/reabilitação destes pavimentos têm também evoluído, desde a aplicação de camadas de reforço até técnicas de reciclagem de pavimentos degradados.

O objetivo do presente trabalho consiste na análise das propriedades de um novo tipo de aditivo para misturas betuminosas, as Borrachas Reagidas e Ativadas designadas na terminologia anglo-saxónica por “Reacted and Activated Rubber”, vulgo RAR.

Nesta tese procura-se desenvolver e divulgar este novo aditivo, dando-se particular atenção às vantagens da sua aplicação na reabilitação de pavimentos degradados abordando-se vários estudos que permitem perceber o comportamento dos pavimentos com essas soluções. A RAR modifica o betume virgem potenciando as propriedades de qualquer mistura bem dimensionada (p.e., a temperatura de amolecimento, resiliência e grau PG) permitindo obter misturas muito estáveis de performance superior (fadiga, à deformação permanente).

Com a utilização de RAR é possível ajustar as granulometrias dos agregados e melhorar, do ponto de vista estrutural, o comportamento dos pavimentos nas vertentes da deformação permanente e da fadiga, retardando a reflexão de fendas e, na perspetiva funcional, essencialmente, reduzir o efeito de projeção de água e o ruído.

Esta tese completa-se com o dimensionamento de uma nova solução de reparação de um importante trecho piloto na RAM esperando-se que, a curto prazo, a mesma venha a ter execução o que permitirá comprovar quer a eficácia técnica da mesma quer os ganhos financeiros e ambientais.

Palavras-Chave:

Pavimentos Rodoviários Flexíveis Reabilitação

Betume-borracha

Borracha Reagida e Ativada (RAR)

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VII

them to maintain a quality level suitable for the functions that they play and road pavements are not, in this field, the exception, as they require frequent repairs which aim to restore their levels of functionality, safety, and comfort.

In Portugal, the most common type of road pavement is flexible pavement, and this is the reason why this dissertation will address only this type of pavement. The techniques of maintenance/rehabilitation of flexible pavements have also envolved, from the application of reinforcement layers to deteriorated pavements recycling techniques.

The purpose of this essay consists of the analysis of the features of the new type of additive for bituminous mixtures, the Reacted and Activated Rubber, known as RAR.

This thesis seeks to develop and disseminate this new additive, focusing mainly on the advantages of its application in the rehabilitation of degraded pavements, with resource to several studies which will allow to understand the behavior of the pavements with this kind of solutions.

RAR modifies the “virgin” bitumen, by potentiating the properties of any well-proportioned

mixture (e.g., softening temperature, resiliency and PG degree) allowing to get very stable high-performance masses (fatigue to permanent deformation).

With the use of RAR it is intended, from the structural point of view, to improve pavement behavior concerning permanent deformation and fatigue, by delaying crevasses reflation and, in the functional perspective, essentially, to reduce the effects of water spraying cracking and noise.

This thesis will be completed with the design of a new solution for repairing a vital experimental road stretch in RAM, which is expected, in the short term, to be implemented, thus demonstrating both its technical effectiveness and its financial and environmental advantages.

Keywords:

Road Pavements Rehabilitation

Bitumen- Crumb Rubber

Reacted and Activated Rubber (RAR) Hot Mix Asphalt

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IX

INTRODUÇÃO ... 1

1.1. ENQUADRAMENTO DO TEMA ... 2

CAPÍTULO 2 ... 5

PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS FLEXÍVEIS... 5

2.1. CARACTERIZAÇÃO DE UM PAVIMENTO RODOVIÁRIO FLEXÍVEL ... 6

2.2. AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS FLEXÍVEIS ... 9

2.2.1. Caracterização Superficial de Pavimentos Rodoviários Flexíveis ... 9

2.2.2. Caracterização Funcional de Pavimentos Rodoviários Flexíveis ... 10

2.2.3. Caracterização Estrutural de Pavimentos Rodoviários Flexíveis ... 10

2.2.4. Análise dos Resultados Obtidos ... 12

2.3. PRINCIPAIS DEGRADAÇÕES DOS PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS FLEXÍVEIS .... 17

2.3.1. Deformações ... 19

2.3.2. Fendilhamento ... 19

2.3.3. Desagregação da camada de desgaste ... 20

2.3.4. Movimento de Materiais ... 21

2.4. REABILITAÇÃO DE PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS FLEXÍVEIS... 21

2.4.1. Reabilitação das características funcionais ... 22

2.4.2. Reabilitação das características estruturais ... 23

2.5. VIDA RESTANTE DE UM PAVIMENTO RODOVIÁRIO ... 23

2.6. DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE REFORÇOS DE PAVIMENTOS ... 24

2.6.1. Tráfego presente no pavimento rodoviário ... 24

2.6.2. Materiais betuminosos utilizados na camada de reforço ... 27

CAPÍTULO 3 ... 37

MISTURA BETUMINOSA COM ADIÇÃO DE RAR ... 37

3.1. DESCRIÇÃO GERAL DE MISTURAS BETUMINOSAS ... 38

3.2. MÉTODO PROPOSTO PARA A FORMULAÇÃO DE MISTURAS DESCONTÍNUAS (I-MIX DESIGN) ... 40

3.2.1. Contributos do método de formulação i-Mix Design ... 42

3.3. CONSTITUENTES DAS MISTURAS BETUMINOSAS ... 43

3.3.1. Agregados ... 43

3.3.2. Ligantes betuminosos – betumes ... 45

3.4. BORRACHA REAGIDA E ATIVADA (RAR) ... 52

(12)

X

3.4.4. Vantagens e limitações das Misturas Betuminosas com adição de RAR ... 62

3.5. COMPARAÇÃO ENTRE BMB E LIGANTES BETUMINOSOS COM RAR ... 63

3.6. ANÁLISE COMPARATIVA DOS CUSTOS DE CICLO DE VIDA ... 65

CAPÍTULO 4 ... 67

REPARAÇÃO DE UM TRECHO PILOTO ... 67

4.1. DESCRIÇÃO DO TRECHO PILOTO PARA UMA REPARAÇÃO COM RAR ... 68

4.1.1. Caracterização do estado do pavimento existente ... 69

4.2. TRÁFEGO DE PROJETO ... 74

4.2.1. Projeção com base nas taxas de crescimento históricas ... 75

4.2.2. Projeção com base no MACOPAV ... 76

4.2.3. Projeção com base em analogias com a procura na VR1 ... 77

4.3. SOLUÇÕES DE REFORÇO PARA O TRECHO PILOTO ... 80

4.3.1. Reabilitações estruturais estudadas ... 81

4.3.1.1. Características da mistura proposta com RAR. ... 82

4.3.2. Reforço com camada grossa ThinGap, com RAR ... 86

4.3.3. Reforço com camada fina de ThinGap ... 88

4.3.4. Reforço com solução tradicional ... 89

4.3.5. Reforço tradicional com betume “semi-modificado” com RAR ... 91

4.4. AVALIAÇÃO SUMÁRIA DO PREÇO DAS SOLUÇÕES DE REABILITAÇÃO SUGERIDAS ... 92

CAPÍTULO 5 ... 95

CONCLUSÕES ... 95

5.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 96

5.2. SUGESTÕES FUTURAS ... 100

REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ... 101

ANEXOS ... 105

ANEXO I ... 106

CARACTERIZAÇÃO BETUME COMBINADO ... 106

AI.1. Propriedades do Betume ... 107

AI.2. Grau PG de um betume combinado _–_{“Performance Grade”} ... 108

ANEXO II ... 111

CARACTERIZAÇÃO DOS AGREGADOS ... 111

(13)

XI

ANEXO III ... 119

CARACTERIZAÇÃO DA THINGAP ... 119

AIII.1. Boletim de Marshall da nova formulação de mistura ThinGap com RAR ... 120

AIII.2. Boletim i-Mix para a primeira formulação da mistura ThinGap com RAR ... 122

AIII.3. Boletim i-Mix para a nova formulação da mistura ThinGap com RAR ... 123

AIII.4. Resistência à deformação permanente da ThinGap, para RAM ... 125

AIII.5. Resistência à derrapagem da ThinGap, para RAM ... 128

ANEXO IV ... 129

ESTUDO DE TRÁFEGO ... 129

ANEXO V ... 165

CARACTERIZAÇÃO DO PAVIMENTO ... 165

AV.1. Observação visual e apoio fotográfico ... 166

AV.2. Ensaios de carga com Deflectómetro de Impacto ... 180

AV.3. Plano de prospeção ... 187

AV.4. Determinação dos módulos de deformabilidade ... 198

AV.5. Desenhos representativos ... 203

ANEXO VI ... 207

REDE VIÁRIA REGIONAL ... 207

AVI.1. Classificação das estradas da rede viária regional ... 208

AVI.2. Estradas regionais principais... 221

AVI.3. Concessão da VIALITORAL ... 223

ANEXO VII ... 225

ALTERAÇÃO DO NÓ RODOVIÁRIO ... 225

AVII.1. Pavimentação: Planta geral dos pavimentos ... 226

AVII.2. Pavimentação: Promenores de Pavimentação ... 228

ANEXO VIII ... 231

I-MIX DESIGN ... 231

AVIII.1. Metodologia de funcionamento do i-Mix Design ... 232

AVIII.2. Contributos do método de formulação i-Mix Design ... 233

ANEXO IX ... 235

PREÇOS DE APLICAÇÃO ... 235

(14)

XII

(15)

XIII

Figura 2 - Constituição e comportamento do pavimento flexível (Branco, Pereira, & Santos,

2011) ... 8

Figura 3 - Deflectómetro de Impacto (FWD) e zonas de tensão (Branco, Pereira, & Santos, 2011) ... 11

Figura 4 - Fatores a considerar para a divisão em comportamento homogéneo (NCHRP, 2004) ... 13

Figura 5 _– Temperatura de Projeto de camadas betuminosas ... 16

Figura 6 - Evolução do estado do pavimento ao longo do tempo (Estradas, 2013) ... 21

Figura 7 _– Esquema para a ação de um eixo-padrão sobre um pavimento (Branco, Pereira, & Santos, 2011) ... 26

Figura 8 _– Composição Volumétrica das misturas betuminosas (Branco, Pereira, & Santos, 2011) ... 28

Figura 9 - Extensões dos estados limites de ruína (Ribeiro, 2012) ... 31

Figura 10 _– Exemplo do esquema de ensaio à flexão em 4 pontos (Sousa, Fonseca, Freire, & Pais, 1999) ... 39

Figura 11 _– Partículas ativas e mastique betuminoso (Miranda H. , 2016) ... 41

Figura 12 _– Conceitos desenvolvidos e sua interligação no método inventado por (Miranda H. , 2016) ... 41

Figura 13 – Representação de curvas granulométricas (Bernucci, Motta, & Ceratti, 2008) .. 44

Figura 14 - Destilação fracionada do petróleo bruto (Alves, n.d) ... 46

Figura 15 – Esquema do ensaio de penetração de betume e equipamento utilizado ... 48

Figura 16 – Ensaio para determinação do ponto de amolecimento ... 48

Figura 17 – Ensaio de resiliência e aspeto final das amostras ... 49

Figura 18 – Esquema e fotografia do Viscosímetro Rotacional ... 49

Figura 19 – Ensaios Superpave – equipamentos de testes utilizados, propósito e relação com a “performance” ... 50

Figura 20 - Localização das deformações em um ciclo de fluência e recuperação do ensaio MSCR ... 51

Figura 21 – Resposta de um ligante betuminoso a uma tensão constante aplicada num intervalo de tempo ... 54

Figura 22 – Avaliação do comportamento visco-elástico do ligante betuminoso (Kedarisetty, Biligiri, & Sousa, 2016) ... 55

Figura 23 - Curva-mestra G*/sin() (Kedarisetty, Biligiri, & Sousa, 2016) ... 56

Figura 24 – Efeito da % de RAR no Grau PG de betumes combinados (Kedarisetty, Biligiri, & Sousa, 2016) ... 56

Figura 25 – Avaliação da capacidade de recuperação de um betume combinado (Sousa, Vorobiev, Ishai, Svechinsky, & Sousa, 2012) ... 57

Figura 26 – Curvas granulométricas tipo utilizadas em misturas betuminosas (Fontes, 2009) ... 58

Figura 27 – Curvas granulométricas, open graded, gap graded e ThinGap (Sousa, Miranda, & Silva, 2012). ... 58

Figura 28 - Resistência à deformação permanente de diferentes misturas (Sousa, Miranda, & Silva, 2012) ... 59

Figura 29 - Ensaio de avaliação de resistência à fadiga (Consulpav, 2016) ... 60

Figura 30 - Etapas do processo de fabrico de uma Mistura Betuminosa com RAR ... 61

Figura 31 - Destino dos pneus recolhidos em 2015 e principais aplicações (Valorpneu, 2015) ... 63

Figura 32 - Localização do trecho em estudo na rede viária envolvente ... 68

(16)

XIV

Figura 37 - _{Distribuição dos “loops” do contador do sublanço 8 no sentido crescente} ... 79

Figura 38 - Idem do sublanço 8 no sentido decrescente ... 79

Figura 40 - Idem sublanço 9 no sentido crescente ... 79

Figura 41 _– Lajetas para ensaio de Wheel Tracking (1) ... 127

Figura 42 - Lajetas para ensaio de Wheel Tracking (2) ... 127

Figura 43 - Localização do trecho, pertencente à ERº115 ... 131

Figura 44 _– Tráfego médio diário na próxima década (dois sentidos) ... 135

Figura 45 _– Tráfego por dia na próxima década (dois sentidos) ... 136

Figura 46 _– Esquematização do trecho, pertencente à ERº115 ... 137

Figura 47 _– Esquematização da planta das vias dos sublanços 8 e 9, ligação ao trecho ... 138

Figura 48 - Distribuição dos “loops” do contador do sublanço 8 no sentido crescente ... 139

Figura 51 - Idem sublanço 9 no sentido crescente ... 139

Figura 52 - Esquematização das plantas da via – Deferenciação dos sentidos de tráfego 139 Figura 53 - Esquematização das plantas da via – Diferenciação dos sentidos de tráfego .. 142

Figura 54 - Esquematização das plantas da via – Diferenciação dos sentidos de tráfego .. 146

Figura 55 - Esquematização das plantas da via – Diferenciação dos sentidos de tráfego .. 150

Figura 56 – Projeção de tráfego no trecho a partir das estimativas da VTM ... 155

Figura 57 – Vista da ER 115, VR1-Rotunda D. Francisco Santana ... 166

Figura 58 – Vista da ER 115, Rotunda D. Francisco Santana-VR1 ... 166

Figura 59 –Pele de crocodilo – Grau de severidade baixo (pk ≈ 0+240) ... 167

Figura 60 – Pele de crocodilo –Grau de severidade alto (pk ≈ 0+240) ... 167

Figura 61 – Fissura longitudinal evoluindo para pele de crocodilo – Grau de severidade alto (pk ≈ 0+200) ... 168

Figura 62 - – Fissura longitudinal–Grau de severidade médio (pk ≈ 0+150) ... 168

Figura 63 – Pele de crocodilo evoluindo para ninhos –Grau de severidade alto (pk ≈ 0+140) ... 169

Figura 64 – Pele de crocodilo e depressão –Grau de severidade alto (pk ≈ 0+140) ... 169

Figura 65 – Ninhos –Grau de severidade alto (pk ≈ 0+140) ... 170

Figura 66 – Pele de crocodilo e depressões –Grau de severidade alto (pk ≈ 0+70) ... 170

Figura 68 – Fissuras tranversais –Grau de severidade médio (pk ≈ 0+60)... 171

Figura 69 – Fissuras transversais evoluindo para pele de crocodilo – Grau de severidade baixo (pk ≈ 0+60) ... 172

Figura 70 – Pele de crocodilo –Grau de severidade baixo (pk ≈ 0+55) ... 172

Figura 71 – Fissuras transversais –Grau de severidade baixo (pk ≈ 0+45) ... 173

Figura 72 _– Fissuras longitodinais -_{Grau de severidade médio (pk ≈ 0+30)} ... 173

Figura 73 _– Desagregações superficiais _–_{Grau de severidade baixo (pk ≈ 0+20)} ... 174

Figura 74 _– Desagregações superficiais _–_{Grau de severidade baixo (pk ≈ 0+10)} ... 174

Figura 75 _– Pele de crocodilo _–_{Grau de severidade alto (pk ≈ 0+10)} ... 175

Figura 78 _– Pele de crocodilo _–_{Grau de severidade médio (pk ≈ 0+20)} ... 176

Figura 80 _– Pele de crocodilo e depessão _– Grau de severidade _{alto (pk ≈ 0+40)} ... 177

(17)

XV

Figura 85 - Equipamento FWD utilizado na caracterização estrutural do pavimento em estudo

... 185

Figura 86 _– Foto ilustrativa do deflectómetro de impacto aplicando uma carga de 65 kN .. 186

Figura 87 - Foto ilustrativa do deflectómetro de impacto em andamento ... 186

Figura 88 _– Carotes retirados das sondagensa à rotação elaboradas no troço auscultado 196 Figura 89 _– Determinação da espessura das camadas dos carotes designados por SR1 e SR2 ... 196

Figura 90 - Determinação da espessura das camadas dos carotes designados por SR3 e SR4 ... 197

Figura 91 _– Determinação da percentagem de betume em cada carote retirado ... 197

Figura 92 _– Estradas Regionais Principais e Complementares ... 222

Figura 93 – Concessão da VIALITORAL - Via Rápida (VR1) ... 224

(18)

XVI

Santos, 2011) ... 7

Tabela 2 - Influência das características funcionais dos pavimentos rodoviários (OCDE, 1987) ... 10

Tabela 3 - Módulos de Deformabilidade usuais para a camadas de pavimentos (EP-JAE, 1995) ... 15

Tabela 4 - Familias e Tipos de Degradações (Teng, 2003) ... 18

Tabela 5 - Fator de agressividade do tráfego ((JAE), 1995) ... 25

Tabela 6 - Classes de tráfego (Branco, Pereira, & Santos, 2011) ... 25

Tabela 7 - Fatores que influênciam a resistência à deformação permanente (Sousa, Craus, & Monismith, 1991) ... 32

Tabela 8 - Definição da sequência de propriedades do pavimento ... 34

Tabela 9 - Coeficientes estáticos ... 35

Tabela 10 _– Exigências para a avaliação da resistência à fadiga de uma mistura betuminosa (EN 12697-24) ... 39

Tabela 11 _– Valores mínimos exigidos aos agregados das misturas betuminosas a quente para camadas de desgaste (CEEP, 2014) e NP EN 13043 ... 45

Tabela 12 _– Propriedades e métodos de ensaio dos betumes (CEEP, 2014) ... 47

Tabela 13 - Espessura camada betuminosa (Caltrans, 1992) ... 61

Tabela 14 –Custos de produção de misturas betuminosas em €, e custos de aplicação em m2 ... 66

Tabela 15 – Análise das deflexões caracteristicas segundo (Anexo AV.2) ... 71

Tabela 16 - Locais onde se efetuaram sondagens à rotação ... 71

Tabela 17 – Espessura e natureza das camadas identificadas nas carotes recolhidas no trecho piloto ... 72

Tabela 18 – Módulos de deformabilidade do pavimento em estudo ... 73

Tabela 19 – Determinação da temperatura de projeto ... 74

Tabela 20 – Módulos de deformabilidade das camadas betuminosas para a temperatura de projeto ... 74

Tabela 21 - Contagem com auxilio de uma filmagem, 23/01/2017 ... 75

Tabela 22 - Contagem da CMF, 21/05/2015 e estimativa de tráfego ... 75

Tabela 23 - Variação do tráfego passado ao longo dos anos... 75

Tabela 24 - Fluxo de tráfego no trecho para um periodo de dimensionamento de 10 anos . 76 Tabela 25 - Fluxo de tráfego no trecho para um periodo de dimensionamento de 10 anos . 76 Tabela 26 – Modelo selecionado de regressão múltipla para o trecho piloto ... 79

Tabela 27 - Evolução do tráfego com base nas estimativas VTM, segundo Modelo 4 ... 80

Tabela 28 – Projeção de tráfego para 2027 ... 80

Tabela 29 - Requisitos mínimos exigidos à mistura betuminosa ThinGap com RAR... 82

Tabela 30 - Agregados a utilizar na mistura betuminosa ThinGap com RAR ... 82

Tabela 31 - Curva granulométrica definida pelo i-Mix Design ... 82

Tabela 32 - Resultados do betume combinado, com diferentes % RAR ... 83

Tabela 33 - Resultados do Grau PG para 0, 20, 25, 30 e 35% de RAR ... 83

Tabela 34 - Resultados dos ensaios MSCR ... 83

Tabela 35 - Características do ligante betuminoso utilizado na mistura betuminosa ... 84

Tabela 36 - Resultado do ensaios de Wheel Tracking ... 84

Tabela 37 - Resumo dos resultados obtidos com o ensaio à fadiga da mistura betuminosa ThinGap ... 85

(19)

XVII

Tabela 41 - Características da mistura betuminosa ThinGap com RAR considerada ... 86

Tabela 42 - Caracterização do projeto proposto para a reabilitação do pavimento em ThinGap com RAR ... 86

Tabela 43 - Caracterização do projeto proposto para a reabilitação do pavimento em ThinGap com RAR ... 88

Tabela 44 _– Características da mistura betuminosa Betão Betuminoso ... 89

Tabela 45 _– Caracterização do projeto proposto para a reabilitação do pavimento em Betão Betuminoso ... 90

Tabela 46 - Tabela resumo dos preços comparativos à solução tradicional das diferentes soluções ... 93

Tabela 47 _– Limites globais do fuso granulométrico da mistura betuminosa ThinGap com RAR para a Madeira... 97

Tabela 48 _– Resumo Grau PG do betume combinado estudado ... 108

Tabela 49 - Resultados do Grau PG segundo a EREFA (RFTO) ... 108

Tabela 50 - Resultados do Grau PG segundo CEP (PAV) ... 109

Tabela 51 - Resultados do ensaios MSCR ... 109

Tabela 52 –“Performance Grade” - Grau PG para betumes convencionais ... 110

Tabela 53 – Resistência à derrapagem da mistura ThinGap com RAR desenvolvida para a RAM (PVT) ... 128

Tabela 54 – Tráfego Médio Diário, segundo EXACTO ... 132

Tabela 55 – Contagem de tráfego para a ERº115 num período das 07h às 20h, segundo CMF ... 132

Tabela 56 – Contagem de tráfego que circula no trecho, com recurso a gravação de vídeo ... 132

Tabela 57 - Contagem com auxilio de uma filmagem, 23/01/2017 ... 133

Tabela 58 - Contagem da CMF, 21/05/2015 e estimativa de tráfego ... 133

Tabela 59 – Variação do tráfego passado ao longo dos anos ... 133

Tabela 60 – Fluxo de tráfego no trecho para um periodo de dimensionamento de 10 anos ... 134

Tabela 61 – Fluxo de tráfego no trecho para um periodo de dimensionamento de 10 anos ... 135

Tabela 62 – Dados horários do tráfego do trecho e dos sublanços 8 e 9 ... 140

Tabela 63 – Tráfego nos dois sentidos em 23/01/2017 ... 140

Tabela 64 – Índices de ajustamento do modelo ... 141

Tabela 65 – Modelo de regressão múltipla para o tráfego total no trecho (Modelo 1) ... 141

Tabela 66 - Dados horários do tráfego do trecho e dos sublanços 8 e 9, para cada sentido ... 143

Tabela 67 - Tráfego no sentido descendente em 23/01/2017 ... 144

Tabela 68 - Índices de ajustamento do modelo ... 144

Tabela 69 _– Modelo de regressão múltipla para o tráfego descendente no trecho (Modelo 2) ... 144

Tabela 70 - Tráfego no sentido ascendente em 23/01/2017 ... 145

Tabela 72 – Modelo de regressão múltipla para o tráfego ascendente no trecho (Modelo 2) ... 145

(20)

XVIII

Tabela 79 _– Modelo de regressão múltipla para o tráfego ascendente no trecho (Modelo 3) ... 149

Tabela 83 _– Modelo de regressão múltipla para o tráfego descendente no trecho (Modelo 4) ... 152

Tabela 84 - Tráfego no sentido ascendente em 23/01/2017 ... 153

Tabela 86 – Modelo de regressão múltipla para o tráfego ascendente no trecho (Modelo 4) ... 153

Tabela 87 – Contribuições das vias no sublanço 8 ... 154

Tabela 88 - Contribuições das vias no sublanço 9 ... 154

Tabela 89 - Evolução do tráfego com base nas estimativas VTM, segundo Modelo 4 ... 155

Tabela 90 – Projeção de tráfego para 2027 ... 156

Tabela 91 – TMDA das Vias do Sublanço 8 em 2008 ... 157

Tabela 92 - TMDA das Vias do Sublanço 9 em 2008 ... 157

Tabela 101 – TMDA na consessão da VIALITORAL em anos passados ... 162

Tabela 102 – Deflexões in situ registadas no trecho auscultado, sentido ascendente ... 181

Tabela 103 - Deflexões in situ registadas no trecho auscultado, sentido descendente ... 182

Tabela 104 – Análise das deflexões obtidas – sentido ascendente... 183

Tabela 105 - Análise das deflexões obtidas – sentido descendente ... 184

Tabela 106 - Análise comparativa de contributo relativamente aos métodos de formulação convencionais ... 233

Tabela 107 - Análise comparativa de contributo relativamente aos métodos de formulação convencionais (continuação) ... 234

(21)

XIX

ASTM American Society for Testing and Materials ou ASTM International

C Coeficiente de crescimento do fluxo de tráfego cm Centímetros

Cmed Força máxima registada quando registada a deflexão no sensor i

D Dano, %

dk Deflexão característica

Dinorm Deflexão no sensor i, normalizada para uma carga padrão

Dimed Deflexão medida no sensor

D10 Diâmetro do agregado correspondente a 10% de passados

D30 Diâmetro do agregado correspondente a 30% de passados

E Módulo de deformabilidade

Em Módulo de deformabilidade da mistura betuminosa

EN Norma Europeia



t Extensão horizontal em camadas estabilizadas com ligantes



z Extensão vertical em camadas de pavimento e fundação

FAF Coeficiente corretivo para o ajuste _“in situ_”

IR Temperatura à superfície kN QuiloNewton

MPa MegaPascal m Média mm Milímetros

Na Número acumulado de eixos padrão admissível

Np Número acumulado de eixos padrão que solicitam o pavimento

NLT Norma Espanhola NP Norma Portuguesa

PC Percentagem de fendilhamento PRN Plano Rodoviário Nacional P85% Percentil 85

r Raio da superfície circular

(22)

XX

TAF Coeficiente de correção para a temperatura TVB Teor volumétrico de betume, %

Td Temperatura do Pavimento em Profundidade

T24H Temperatura média do ar no dia anterior



Tensão



t Tensão horizontal em camadas estabilizadas com ligantes



z Tensão vertical de compressão em camadas de pavimentos e fundação  Coeficiente de Poisson

(23)

XXI

AAF Coeficiente relacionado com o envelhecimento das misturas betuminosas AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials

AGEC Agregado de granulometria extensa estabilizado com cimento

AR Asphalt Rubber

ASFT Airport Surface Friction Tester

ASTM American Society for Testing and Materials

BC Betão de Cimento BD Betão Betuminoso BG Base Granular

BISAR Bitumen Stress Analysis

BMB Betume Modificado com Borracha BP Betão Pobre

Caltrans California Department of Transportation

CAT Coeficiente de Atrito Transversal

CEEP Caderno de Encargos da Estradas de Portugal DSR Dynamic Shear Rheometer

EN Norma Europeia EP Estradas de Portugal

FHWA Federal Highway Administration

FWD Falling Weight Deflectometer

HMA Hot Mix Asphalt

InIR Instituto de Infraestruturas Rodoviárias IRC Índice de Resistência Conservada

ISO International Organization for Standardization

JAE Junta Autónoma das Estradas

LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil LPS Laser Profiler System multi-function

MACOPAV Manual de Conceção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Portuguesa MAM Mistura de Alto Módulo

(24)

XXII

RMS Root Mean Square

SAMI Stress Absorving Membrane Interlayer

SbG Sub-base Granular em material britado SC Solo-Cimento

SHPR Strategic Highway Research Program

(25)

1

CAPÍTULO 1

(26)

2

1.1. ENQUADRAMENTO DO TEMA

As estradas concebidas com betume convencional, têm vindo a deparar-se, por todo o mundo, com significativas degradações em prazos curtos devido a escassa manutenção, a acréscimo do movimento de tráfego ou a condições ambientais hostis.

O repetido contacto pneu/pavimento e a permanente mutabilidade das condições ambientais (p.e., temperatura, humidade, exposição aos raios ultravioleta, etc.) são os principais fatores agressivos na vida residual do pavimento rodoviário. O aparecimento de fissuras, deformações, perda de características refletoras, de aderência e de materiais constituintes são problemas que perigam as condições de segurança, conforto e economia pressupostas à circulação dos utentes.

Apesar dos esforços para aumentar a vida útil dos pavimentos e para obviar a eventuais insuficiências no acesso a matérias-primas, grandes problemas decorrem das limitações orçamentais para a construção e conservação dos pavimentos rodoviários estando-se, em consequência, a fazer esforços extraordinários para que se cheguem a novas técnicas e soluções.

As novas técnicas investigadas têm que proporcionar uma relação custo-benefício mais favorável para as intervenções que, sem prejudicar as capacidades resistentes do pavimento, ampliem quer a funcionalidade, conforto e segurança da circulação quer os indicadores ambientais (p.e., a reciclagem ou a redução de ruído).

É neste contexto que surge este trabalho, no qual é abordado uma técnica de uso de borracha reciclada de pneus na reabilitação de pavimentos rodoviários que ainda é de reduzida aplicabilidade em Portugal nunca tendo sido aplicada na Região Autónoma da Madeira. Existem diversas técnicas de reabilitação de pavimentos rodoviários, embora a que tem vindo a ser mais utilizada no nosso país consista em betumes convencionais. Contudo, devido a proporcionarem um acréscimo significativo das propriedades estruturais e funcionais das misturas betuminosas relativamente aos betumes convencionais, as misturas betuminosas com betumes modificados têm vindo a crescer na reabilitação rodoviária.

Porém, apesar dos benefícios que os betumes modificados com borracha trazem às misturas betuminosas, as dificuldades de aplicação que acarretam (p.e., modificações à central, armazenamento, viscosidade, etc.) levaram a algumas resistências na adesão aos mesmos. Tendo em conta os incrementos qualitativos que os betumes modificados com borracha oferecem, tentou-se superar as suas principais desvantagens, encontrando uma solução de ligantes betuminosos, modificados com borrachas reagidas e ativadas designadas na terminologia anglo-saxónica por “Reacted and Activated Rubber”, vulgo RAR e assim adiante designadas.

1.2. OBJETIVOS

(27)

3

disponibilizando, superiormente, uma superfície confortável, regular e segura para a circulação rodoviária.

Esta definição engloba uma grande variedade de estruturas rodoviárias para as quais, em muitos casos, o betume é um componente essencial, que lhe confere importantes

características, daí a designação de “pavimentos betuminosos” adotada para os pavimentos

que incluem misturas betuminosas.

Para incrementar as características mecânicas do betume convencional começaram por adicionar-se plastómeros ou elastómeros evoluindo-se para betumes modificados com borracha (BMB).

A utilização em Portugal de betumes modificados com RAR é algo recente, cenário esse que se pode alterar caso as propriedades do produto e os relatórios sobre o desempenho das misturas assim obtidas ganhe divulgação e adesão.

Considerando as necessidades de pavimentação das estradas em todo o País, a atual dissertação tem como objetivos:

• _{estabelecer uma comparação dos custos de ciclo de vida (“}live cycle cost_{”) de um}

pavimento para distintos tipos de misturas;

• a análise dos estados de ruína (fadiga e deformação permanente) de diferentes estruturas com pavimentos de misturas betuminosas tradicionais e com borracha;

• expandir os conhecimentos, explorando as potencialidades da RAR na reabilitação de pavimentos rodoviários.

1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO

A dissertação é constituída por 5 capítulos, que se resumem da seguinte forma: O capítulo 1 contémo enquadramento e os objetivos principais do trabalho.

O capítulo 2 apresenta uma síntese do estado da arte respeitante à reabilitação de pavimentos flexíveis, nomeadamente, dos mecanismos de degradação, famílias de degradações, avaliação da capacidade de carga dos pavimentos e metodologia utilizada no dimensionamento do reforço de pavimentos, analisando-se também diferentes técnicas de reforço de pavimentos flexíveis.

(28)

4

No capítulo 4, apresenta-se, em primeiro lugar, um caso de estudo, no qual é efetuada uma análise de quatro soluções possíveis para a reabilitação estrutural de um pavimento de um trecho experimental numa importante estrada regional da RAM. Dentro deste caso de estudo, formulou-se uma mistura betuminosa, designada por ThinGap com RAR, onde descreveu-se os ensaios de caracterização dos materiais seguindo as diretrizes no Caderno de Encargos Tipo da Estradas de Portugal (CEEP) e os ensaios de caracterização mecânica da mistura betuminosa ThinGap.

(29)

5

CAPÍTULO 2

(30)

6

2.1. CARACTERIZAÇÃO DE UM PAVIMENTO RODOVIÁRIO FLEXÍVEL

A principal função dos pavimentos rodoviários flexíveis é garantir uma superfície na qual os veículos possam circular com comodidade e segurança, durante um determinado período de tempo, sob a presença das ações de tráfego e climatéricas que possam vir a ocorrer (Branco, Pereira, & Santos, 2011).

Os pavimentos rodoviários flexíveis são uma estrutura de camadas horizontais sobrepostas ligadas, que têm como principal função resistir às ações impostas pelos veículos, transmitindo-as de forma compatível, inferiormente, à base, sub-base e fundação e disponibilizando, superiormente, uma superfície confortável, regular e segura para a circulação rodoviária.

Na conceção deste tipo de pavimento rodoviário, devem ser acauteladas duas qualidades: a qualidade funcional, dependente da textura e acabamento das camadas superiores do pavimento para que proporcione conforto e segurança à circulação rodoviária e, também, a qualidade estrutural decorrente dos materiais e espessuras empregues na construção das camadas, para poder resistir às ações dos veículos sem se deformar excessivamente nem perder capacidade de recuperação.

Os pavimentos são, grosso modo, formados por duas grandes camadas ilustradas na Figura 1 tendo, na parte superior, as camadas ligadas, estratos estabilizados com ligantes hidrocarbonatos, e, na parte inferior, as camadas granulares (Branco, Pereira, & Santos, 2011).

(31)

7 Figura 1 - Constituição e ações de um pavimento rodoviário flexível (Branco, Pereira, & Santos, 2011)

A camada de desgaste tem como principal função assegurar o conforto e segurança da circulação, defendendo também o pavimento, em primeira linha, das águas precipitadas sobre o mesmo. Já, a camada de ligação (de regularização e a de base betuminosa) tem um papel funcional e estrutural, suportando a camada de desgaste. A camada de base granular tem um papel estrutural de distribuição e redução das tensões sobre a sub-base que, depois, as retransmite à fundação. A camada de sub-base não só assegura o apoio da base e das restantes camadas suprajacentes, como desempenha funções drenantes/anti-contaminantes. A camada de sub-base protege também a fundação do tráfego da obra durante a construção podendo, nas soluções menos exigentes, ser subtraída e substituída pelo tratamento _“in situ_”

dos solos de fundação.

A forma como se podem associar camadas constituídas por distintos tipos de materiais, dá origem a vários tipos de pavimentos, que apresentam comportamentos desiguais, quando submetidos a veículos de diferentes cargas e diferentes condições climáticas.

Os pavimentos podem ser divididos em três tipos: pavimentos flexíveis, rígidos e os semirrígidos, dependendo dos materiais utilizados e da deformabilidade dos mesmos.

Na Tabela 1, indicam-se os materiais e o nível de deformabilidade para cada um dos três tipos de pavimentos.

Tabela 1 - Pavimentos em função dos materiais e da deformabilidade (Branco, Pereira, & Santos, 2011)

Tipo de Pavimento Materiais Deformabilidade

Flexível Hidrocarbonetos e granulares Elevada

Rígido Hidráulicos e granulares Muito reduzida

Semirrígido Hidrocarbonetos, hidráulicos e

(32)

8

Os pavimentos flexíveis têm uma grande diversidade no que concerne à sua constituição, dependendo do tráfego, da resistência do solo de fundação e das características e comportamentos dos materiais disponíveis, os quais, por sua vez, dependem das condições climáticas.

As camadas superiores são constituídas por misturas betuminosas compactadas sob as quais se dispõem uma ou duas camadas de materiais granulares. A deformabilidade deste tipo de pavimento é mais elevada, apresentando valores de deformação entre 250 e 500 _μm (Branco, Pereira, & Santos, 2011).

Nas figuras seguintes são apresentadas duas, de entre as muitas, estruturas de pavimento rodoviário propostas pelo Manual de Conceção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional, da Junta Autónoma de Estradas ((JAE), 1995).

Na Figura 2 são apresentadas duas estruturas de pavimento rodoviário flexível, das quais, à esquerda, destina-se a um tráfego reduzido e contém uma fundação de elevada capacidade de suporte. Já a estrutura de pavimento flexível, à direita, é destinada a um tráfego mais intenso e considerando uma fundação de reduzida capacidade de suporte.

.

Figura 2 - Constituição e comportamento do pavimento flexível (Branco, Pereira, & Santos, 2011)

Na Figura 2, representam-se as tensões instaladas em todo o pavimento, tendo em

consideração as camadas betuminosas “coladas” (traço contínuo) ou “descoladas” (traço

descontínuo).

Pode-se verificar que, quando as camadas betuminosas se encontram “descoladas” entre si,

estão sujeitas a um estado de tensão mais severo e degradante. Ocorrem tensões máximas de compressão na face superior e tensões de tração máximas na face inferior das duas camadas betuminosas.

No caso de as camadas funcionarem como uma só, procura-se obter camadas betuminosas

“coladas” entre si, ou seja, estas, na transição, atuam em conjunto como se fossem uma única

(33)

9

As camadas superiores estão, frequentemente, sujeitas à flexão. Para proporcionar capacidade de suporte são colocadas camadas betuminosas, pois apresentam melhor resposta a todo o tipo de esforços (compressão, tração e corte).

As camadas granulares são concebidas para suportar esforços de compressão, sendo máximos à superfície e reduzindo-se em profundidade. É de ter em conta que tais camadas não têm capacidade para resistir a esforços de tração.

2.2. AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS FLEXÍVEIS

As degradações num pavimento são contínuas, iniciando-se, em rigor, logo que o mesmo passa a estar sujeito às ações do tráfego e às condições climáticas, mas que se aceleram com a proximidade do fim da sua vida útil. A natureza e o ritmo da evolução das patologias de um pavimento, estruturais e/ou funcionais, indiciam a sua conformidade para com o projetado.

A fim de manter a qualidade de um pavimento, durante toda a sua vida útil, o comportamento deve ser acompanhado, logo após a sua abertura ao tráfego. Deve-se, então, proceder à observação do estado e à realização de ensaios que permitam avaliar a qualidade funcional e estrutural do pavimento (Branco, Pereira, & Santos, 2011).

Uma cuidada observação do estado do pavimento deve ser acompanhada pari passu pela adequada recolha de dados do mesmo, cuja análise permita a sua adequada caracterização, segundo critérios coerentes de avaliação da qualidade (Branco, Pereira, & Santos, 2011). Os processos de avaliação da qualidade dos pavimentos baseiam-se na definição de critérios que têm em conta a análise da interação entre o estado do pavimento e o utente na estrada. Segundo (Oliveira, Pereira, & Santos, 1999), tal processo é definido por duas fases:

• a observação de pavimentos, também, designada por campanhas de auscultação e inspeções visuais (caracterização das características superficiais, funcionais e estruturais do pavimento existente);

• o tratamento de dados obtidos.

2.2.1. Caracterização Superficial de Pavimentos Rodoviários Flexíveis

A caracterização superficial dos pavimentos relaciona-se com a observação de degradações superficiais que o pavimento possa apresentar, guiando-se a avaliação, essencialmente, por uma observação visual que regista o estado de degradação aparente do pavimento, e/ou por observação de equipamento videográfico (Branco, Pereira, & Santos, 2011).

Nos últimos anos, a observação visual com suporte em papel, passou a ser acompanhada de registos informáticos, oferecendo assim descrições mais precisas e detalhadas, devendo conter as seguintes informações (Branco, Pereira, & Santos, 2011):

• Descrição das degradações que o pavimento apresenta;

• Descrição do nível de gravidade das respetivas patologias;

• Fotografias das degradações.

O objetivo desta caracterização é determinar índices que traduzam determinadas características funcionais e/ou estruturais dos pavimentos.

Sendo frequente encontrarmos diferentes designações para as mesmas degradações de pavimentos, foi adotada na elaboração desta dissertação as definidas pelo Manual de

(34)

10

2.2.2. Caracterização Funcional de Pavimentos Rodoviários Flexíveis

A avaliação funcional que aparenta um pavimento rodoviário está correlacionada com as exigências dos utentes que circulam na estrada, ou seja, com o conforto e a segurança de circulação (Branco, Pereira, & Santos, 2011).

Essas exigências estão relacionadas às características superficiais que o pavimento rodoviário apresenta, como a regularidade, condições de drenagem superficiais e resistência à derrapagem (Azevedo, 2001).

A Tabela 2 representa a influência das características funcionais dos pavimentos rodoviários flexíveis no conforto e segurança dos utentes.

Tabela 2 - Influência das características funcionais dos pavimentos rodoviários (OCDE, 1987)

Exigências

Fatores de Influência Segurança Comodidade Ambiente Economia

Aderência 5 1 1 1

Regularidade Longitudinal 3 5 1 2

Transversal 4 2 1 1

Resistência ao Rolamento 1 1 1 2

Ruído de contacto

pneu/pavimento 1 4 5 1

Características Refletoras 3 3 1 3

1-Influência nula; 2-Influência pequena; 3-Influência moderada; 4-Influência marcante; 5-Influência grande.

Existe uma extensa gama de equipamentos associados à avaliação das características funcionais de um pavimento rodoviário flexível, como:

• Airport Surface Friction Tester (ASFT) – Coeficiente de Atrito;

• Pêndulo Britânico (PVT) – Coeficiente de atrito pontual médio;

• Laser Profiler System multi-function – Índice de Irregularidade (IRI) e Profundidade de Textura (PT).

2.2.3. Caracterização Estrutural de Pavimentos Rodoviários Flexíveis

A avaliação da capacidade de carga de um pavimento é feita através do estudo das deflexões que são o melhor indicador conhecido da capacidade estrutural.

A medida das deflexões na superfície dos pavimentos submetidos a um carregamento permite, por um processo de retroanálise, estabelecer um modelo de comportamento estrutural que reproduz, próximo da realidade, as condições da ação do tráfego. As deformações reversíveis identificadas por essa forma permitem também a identificação da contribuição de cada camada para o comportamento estrutural do pavimento, obtendo-se assim os módulos de deformabilidade característicos de cada camada do pavimento.

Com o passar do tempo e do tráfego e sujeição às condições ambientais (temperatura, água, insolação) a capacidade de carga de um pavimento piora, mas não tem um comportamento uniforme oscilando em torno de linhas de tendência.

(35)

11

Perante pavimentos flexíveis de grande espessura betuminosa, deve-se prestar maior atenção ao seu estado de rigidez. No verão, com temperaturas elevadas, as misturas betuminosas apresentam deflexões superiores devido à redução da respetiva rigidez e, no inverno, com menores temperaturas, apresentam-se mais rígidas e com menores deflexões. A temperatura de projeto é normalmente diferenciada da temperatura a que se avaliou a capacidade de carga do pavimento, tornando-se assim necessário efetuar correções. Desta forma, existem duas maneiras de realizar o ajuste associado à temperatura: sendo uma através da execução da correção da deflexão máxima obtida nos ensaios de cargas e a outra, através da correção dos módulos de deformabilidade.

2.2.2.1. Defletómetro de Impacto

O Defletómetro de Impacto Falling Weight Deflectometer (FWD) é um equipamento que visa avaliar a capacidade estrutural de um pavimento através da medição da sua resposta a uma carga de impacto, podendo atingir valores entre 30 e 240 kN (Branco, Pereira, & Santos, 2011).

O aparelho propriamente dito está atrelado a um veículo ligeiro, sendo este que contém o equipamento informático de controlo do ensaio que trata e restitui a informação obtida. O equipamento é formado por um sistema mecânico comportando um eixo vertical, onde se desloca uma massa por toda a extensão, que, na base, contém um conjunto de amortecedores que, por sua vez, transmitem ao pavimento a carga resultante da queda da massa de uma placa com 300 ou 400 mm de diâmetro (Anexo: A.V.2).

Os acelerómetros que o equipamento contém, têm o intuito de medir a resposta da superfície do pavimento e estão localizados a determinadas distâncias do centro de aplicação da carga. Tais sensores de deflexão podem ter diferentes afastamentos, conforme a rigidez do pavimento. No entanto, para situações comuns (InIR, 2009), os sensores deverão ficar localizados relativamente ao centro da carga, nas seguintes posições: 0; 300, 450, 600, 1500, 1800, 2100 mm.

Figura 3 - Deflectómetro de Impacto (FWD) e zonas de tensão (Branco, Pereira, & Santos, 2011)

(36)

12

A observação dos pavimentos com o Defletómetro de Impacto realiza-se por amostragem, podendo variar o seu espaçamento conforme a homogeneidade da capacidade estrutural do pavimento. O espaçamento habitual entre auscultações consecutivas varia de 50 a 100 m. Note-se que os resultados do Defletómetro de Impacto podem nem sempre representar adequadamente a realidade. Com efeito, o equipamento pode apresentar variações de força aplicada, resultado da existência de atrito no sistema vertical a que se desloca a massa, da variação da deformabilidade dos amortecedores com a temperatura ou das características de deformabilidade do pavimento ensaiado.

Tendo em vista minimizar tais variações da força, é necessário normalizar as deflexões medidas através da seguinte expressão (InIR, 2009):

Dinorm= Dimed_C x Cp

med

(1)

Sendo:

Dinorm - Deflexão no sensor i, normalizada para a carga padrão Cp; Dimed - Deflexão medida no sensor;

Cmed– Força máxima registada na célula de carga quando registada a deflexão no sensor i, em kN.

O equipamento também regista a temperatura da superfície do pavimento que, como já referimos, é fundamental a uma boa análise dos resultados (Branco, Pereira, & Santos, 2011).

2.2.4. Análise dos Resultados Obtidos

A análise à capacidade de carga de um pavimento rodoviário permite classificá-lo estruturalmente. Após a sua auscultação é necessário proceder-se a um estudo dos dados obtidos, nomeadamente das deflexões para os diferentes pontos de ensaio.

Para estabelecer uma análise que possa enquadrar os resultados obtidos com a realidade comportamental do pavimento, é necessário destacar quatro etapas: a divisão em zonas de comportamento estrutural homogéneo; o cálculo da deflexão característica; a caracterização mecânica do pavimento existente; e a correção do módulo de deformabilidade para a temperatura de projeto.

2.2.4.1. Divisão em Zonas de Comportamento Estrutural Homogéneo

A divisão dos troços em estudo em subseções homogéneas é indispensável para se proceder a uma avaliação da capacidade de carga de um pavimento rodoviário (Pinelo, 1993).

A avaliação estrutural de pavimentos rodoviários é realizada, normalmente, em troços de longa extensão por, no processo de avaliação estrutural de pavimentos haver necessidade de se identificarem secções homogéneas para programação das ações de manutenção. Nesse contexto, uma das grandes dificuldades nos cálculos dos módulos, através da retroanálise, está na escolha da bacia a ser utilizada que, por vezes, apresenta grande heterogeneidade. As variações das deflexões máximas obtidas são importantes para a divisão de um pavimento em subseções homogéneas, uma vez que estas deflexões fornecem a resposta do conjunto pavimento-fundação quando carregado (Jacinto, Ribeiro, & Azevedo, 2006).

Na forma de homogeneizar o troço em estudo, deve-se considerar os seguintes parâmetros: tipo de pavimento; data de construção e das obras de conservação; constituição do pavimento (secção transversal); classe de tráfego; e tipo de solo de fundação.

(37)

13

a divisão é efetuada quando há uma mudança de um parâmetro para outro, como ilustra a Figura 4.

Figura 4 - Fatores a considerar para a divisão em comportamento homogéneo (NCHRP, 2004)

A obtenção das subsecções baseia-se num tratamento estatístico dos valores das deflexões obtidas, de forma a distinguir as diferentes subsecções e, dentro dessas obter a bacia de deflexões característica de cada uma.

A definição das subseções homogéneas pelo método denominado “Método das Diferenças

Acumuladas” (Analysis Unit Delineation by Cumulative Differences), recomendado no Guia de Projeto de Pavimentos (AASHTO, 1993) baseia-se numa homogeneização racional do troço em estudo, podendo serem utilizadas as deflexões ou outro parâmetro relevante para a análise. No entanto, como já foi exposto, para a análise estrutural de um pavimento tem-se em conta a deflexão máxima, sendo esta deflexão a que representa globalmente o pavimento em estudo.

Sendo assim, a divisão em zonas homogéneas pelo método da AASHTO compreende várias etapas: primeiro, deve ser calculada a média da deflexão máxima registada para todos os pontos de ensaio do troço auscultado. Em seguida, para esses mesmos pontos de ensaio, deve ser calculado a diferença entre a deflexão máxima obtida e a média da deflexão máxima (cálculo dos desvios em relação à média da deflexão máxima) e deve-se considerar também a soma dos desvios acumulados para cada ponto de medição da deflexão máxima. Por último, é elaborado um gráfico em que nas abcissas se desenvolvem pontos de ensaio ao longo do troço auscultado e nas ordenadas os valores dos desvios acumulados (AASHTO, 1993). Por conseguinte, os cálculos a efetuar seguem a seguinte expressão de cálculo:

Zi= di- dm+ Zi-1 (2)

Sendo:

Zi - soma acumulada dos desvios da média ao ponto de ensaio i; di - a deflexão máxima no ponto de ensaio i;

dm - média da deflexão máxima para todo o troço auscultado.

(38)

14 Gráfico 1 - Divisão das zonas homogéneas pelo método das Diferenças Acumuladas (AASHTO, 1993)

Este gráfico permite delimitar as zonas homogéneas e definir por zonas de comportamento estrutural homogéneo, cada intervalo de mudança de declive.

Dado a divisão em zonas homogéneas, é necessário obter a deflexão característica de cada zona para que, posteriormente, seja elaborada uma análise do defletograma obtido classificando estruturalmente o pavimento e, se for o caso, procedendo-se ao estudo de uma solução de reabilitação estrutural.

Para cada zona homogeneizada, é selecionado o valor de deflexão do estado que aparenta o pavimento. Normalmente, para esse valor de deflexão característica, dk,é fundamental fazer

uma análise estatística dos dados obtidos, determinando a média e o desvio padrão, com o objetivo de se calcular o percentil de 85%. Utiliza-se esse percentil por se considerar que a deformada representativa de cada zona é aquela a que correspondem deflexões cuja probabilidade de serem excedidas é inferior a 15%.

P85%= m + 1,04×s (3)

m= ∑di

n (4)

s= ∑(di-m)2

(n-1)

(5)

sendo: m - média;

di - deflexão no ponto de ensaio i; n - número de pontos medidos; s – desvio padrão.

Posto isto, a deflexão característica, dk, é aquela que mais se aproxima do percentil 85.

As características do pavimento são obtidas através dos valores das deflexões, tendo como exemplo, os módulos de deformabilidade das várias camadas do pavimento através da retroanálise (Benta, Picado-Santos, & Macedo, 2008).

2.2.4.2. Caracterização mecânica do pavimento

_–

Retroanálise

(39)

15

Os módulos de deformabilidade das diferentes camadas de um pavimento são obtidos com base num processo denominado de análise inversa ou retroanálise (backcalculation), através do programa automático ModComp. Este método compreende um processo iterativo de comparação dos deslocamentos superficiais, obtidos pelos ensaios não-destrutivos, com os deslocamentos conseguidos pelo programa de cálculo automático (Albernaz, Motta, & Medina, 1995). Esta comparação é feita de maneira a analisar a convergência entre as duas deformadas.

O processo fundamenta-se na introdução das características mecânicas e geométricas como os módulos de deformabilidade, coeficiente de Poisson e espessuras. Sendo os módulos de deformabilidade das várias camadas arbitrados ou estimados, os coeficientes de Poisson correspondentes a cada material e as espessuras obtidas na prospeção mecânica introduzidos na janela do programa, além da posição dos sensores e a força de pico aplicada durante o ensaio (Hunter, 1994).

Na Tabela 3 estão representados os valores simbólicos dos módulos de deformabilidade e dos coeficientes de Poisson dos vários materiais usados nos pavimentos rodoviários.

Tabela 3 - Módulos de Deformabilidade usuais para a camadas de pavimentos (EP-JAE, 1995)

Camadas Módulo de deformabilidade (MPa) Coeficientes Poisson ()

Betão Betuminoso

7000 a 9000 (T=15ºC) 5000 a 6000 (T=20ºC) 3000 a 4000 (T=25ºC)

0,35

Betão Betuminoso fendilhado 500 a 1000 0,35

Agregado tratado com cimento 10000 a 20000 0,25

Solo-cimento 1000 a 5000 0,25

Base granular britada 150 a 300 0,35

Sub-base granular britada 100 a 200 0,35

Solos selecionados 60 a 100 0,40

Como referido anteriormente, com o intuito de aproximar o melhor possível a deformada representativa de cada zona e a obtida pelos ensaios, é avaliado o erro RMS utilizando a equação (6). Caso o erro RMS (Root Mean Square), entre a deformada calculada e a deformada medida, seja inferior a 15% (RMS<15%), os módulos de deformabilidade encontrados relacionam-se bem com o comportamento estrutural do pavimento (Henry & Wambold, 1992).

RMS(%)= (√1_n x ∑ (dei- dmi

dmi )

2 n

i=1 )x 100 (6)

sendo:

n - número total de pontos de registo da deflexão para o ponto de ensaio i; dei - deflexão calculada para o ponto de ensaio i;

dmi - deflexão média do ponto de ensaio i.

2.2.4.3. Efeito das condições climáticas sobre o Módulo de Deformabilidade

(40)

16

Aquando da execução dos ensaios de carga, raramente as misturas betuminosas se encontram à temperatura de projeto exigindo, por regra, a correção dos módulos de deformabilidade para a temperatura de projeto, dá-se a partir dos obtidos nos ensaios de carga.

Existe uma panóplia de fórmulas para se proceder à correção do módulo de deformabilidade das misturas betuminosas, obtidos com base em ensaios de cargas a temperaturas diferentes. Consoante a metodologia da Shell (Shell, 1978), o módulo de deformabilidade das misturas betuminosas deve ser definido para um valor de temperatura de projeto obtido em função da temperatura do ar e da espessura total das misturas betuminosas.

No dimensionamento de pavimentos rodoviários em Portugal, utiliza-se, de forma conservativa, o gráfico da Figura 5 (Claessen, Edwards, Sommer, & Ugé, 1977) para determinar a temperatura de projeto de cada camada betuminosa, adotando um valor de espessura equivalente a uma profundidade correspondente a metade da espessura da camada em apreço. Em alternativa, utiliza-se a metodologia preconizada pelo Manual de Dimensionamento de Reforços de Pavimentos Flexíveis das Estradas de Portugal (EP-JAE, 1995).

Figura 5 – Temperatura de Projeto de camadas betuminosas

É igualmente importante ter em consideração a temperatura a que se encontra o interior das camadas betuminosas, sendo calculado por BELLS3 (Basltzer, Ertman-Larsen, Lukanen e Stubstad).

A temperatura do pavimento em profundidade, Td, é obtida através da expressão (7):

Td=0,95+0,892*IR+0,042× sin(hr18-13,5)

+[log(d)-1,25]×[-0,45*IR+0,621×T24H+1,83×sin(hr18-15,5)] (7)

Sendo:

Td - temperatura do pavimento em profundidade, ºC; IR – temperatura à superfície, ºC;

(41)

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A função decimal sin(hr18-15,5) deve ser usada apenas para intervalos entre as 11:00 e as

05:00 horas da manhã seguinte. Se a hora a que o ensaio foi praticado não se encontrar dentro desse intervalo, o sin calculado deverá ser para as 11 horas (onde sin=-1). Se o tempo estiver entre as 00:00 e as 05:00 horas, adiciona-se 24 ao tempo real decimal. Por exemplo, se o relógio indicar 13:15 horas, em forma decimal, temos: 13,25-15,5=-2,25; -2,25/18=-0,0125; -0,0125*2=-0,785 radianos; sin(-0,785)=-0,707.

A função decimal sin(hr18-13,5) deve ser usada apenas para intervalos entre as 09:00 e as

03:00 horas da manhã seguinte. Se a hora a que o ensaio foi praticado não se encontrar dentro desse intervalo, o sin calculado deverá ser para as 09 horas (onde sin=-1). Se o tempo estiver entre a 00:00 e as 03:00 horas, adiciona-se 24 ao tempo real decimal. Por exemplo, se o relógio indicar 15:08 horas, em forma decimal, temos: 15,13-13,5=1,63; 1,63/18=0,091; 0,091*2=0,569 radianos; sin(0,569)=0,539.

Finalmente existem diversas fórmulas para corrigir o módulo de deformabilidade consoante a temperatura (Akbarzadeh, Bayat, & Soleymani, 2012). A fórmula utilizada (Ullidtz & Peattie, 1982) é:

ET.projeto

E15ºC =1-1,384 x log(

TProjeto

15ºC)

ET.BELLS3

E15ºC = 1-1,384 x log(

TBELLS3

15ºC)

}

ET.Projeto= ( ERetro-análise

1-1,384 x log(TBELLS3_15ºC)) x (1-1,384 x log(

TProjeto

15ºC))

(8)

Os módulos de deformabilidade obtidos numa primeira instância, através do cálculo efetuado pelo ModComp, são corregidos pelo método descrito acima. É de ter em conta, que tal correção só é feita nas camadas betuminosas. Nas camadas granulares e na fundação o módulo de deformabilidade não sofre qualquer tipo de correção, pois essas estruturas não são afetadas, diretamente, pela temperatura.

2.3. PRINCIPAIS DEGRADAÇÕES DOS PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS FLEXÍVEIS

Os pavimentos, ao serem sujeitos às ações dos veículos (tráfego pesado) e climáticas (variações de temperatura e água), vítimas de erros de projeto e construção (p.e., materiais inadequados) evoluem com aparecimento de uma vasta diversidade de degradações que se traduzem numa contínua redução da sua qualidade.

A nível funcional, as degradações que revelam más condições de acústica e desconforto, derivam da aderência pneu/pavimento sendo importantes, sobretudo, ao nível da segurança da circulação.

O aparecimento de degradações pode ser um sinal natural da aproximação do fim da vida útil de um pavimento. No entanto, quando surgem precocemente, revela algo anormal, podendo antecipar o fim da vida útil esperado.

Para os pavimentos flexíveis, as degradações podem ser agrupadas nos seguintes grupos (Branco, Pereira, & Santos, 2011):

• deformações;

• fendilhamento;

• desagregação da camada de desgaste;

(42)

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Estas famílias de degradações têm uma sequência e interação entre elas, como se pode verificar na tabela seguinte, cujo aumento do fendilhamento e/ou deformações provoca a desagregação da camada superficial e o movimento de materiais.

Estes grupos de degradações contêm em si vários tipos de patologias, de acordo com a Tabela 4.

Tabela 4 - Familias e Tipos de Degradações (Teng, 2003)

FAMILIAS DE DEGRADAÇÕES TIPOS DE DEGRADAÇÕES

Deformações

berma

Longitudinal

Abatimento eixo

Transversal

Deformações Localizadas

Ondulação

Grande raio (camadas inferiores)

Rodeiras

Pequeno raio (camadas superiores)

Fendilhamento

Fadiga eixo

Longitudinais

Fendas transversais berma

parabólicas

malha fina (≤40cm)

pele de crocodilo

malha larga (>40cm)

Desagregação da camada de desgaste

Desagregação superficial

Cabeça de gato

Pelada

Ninhos (covas)

Movimento de materiais Exsudação

Bombagem de finos